LLNLの研究者が3Dプリントされた金属部品の残留応力を測定する方法を開発

出典：江蘇省レーザー産業技術革新戦略同盟

はじめに: ローレンス・リバモア国立研究所 (LLNL) の研究者らは、粉末床溶融積層造形法によって製造された金属部品の残留応力を測定する効果的な方法を開発しました。

付加製造 (AM) とは、前駆材料から 3 次元構造を生成できる、層ごとに構築するさまざまな方法を指します。この研究は金属ベースの粉末床融合 AM に焦点を当てていますが、付加製造法は、単一の自動化プロセスを使用して廃棄物を最小限に抑えながら複雑なネットシェイプ部品を作成できるため、金属、ポリマー、セラミックにも応用されています。 AM 技術は 20 年以上にわたって発展してきましたが、AM 手法の大規模な導入には依然として大きな課題が残っています。高速処理時間、完全な密度、比較的応力のない構造、および優れた微細構造と機械的完全性を実現することの間に固有のトレードオフがあるため、プロセスの最適化が必要になりました。

粉末床溶融 AM では、非常に薄い粉末層が分散され、制御されたレーザー光によって選択的に溶融されます。このプロセスは、完全な部品が製造されるまで繰り返されます。粉末層が局所的に完全に溶融して基板に結合するように、粉末のサイズとパッケージ、材料、レーザー設定 (出力、スポットサイズ、速度)、およびスキャンパラメータ (パターン、方向角度、オーバーラップ) を選択する必要があります。しかし、レーザースポット付近で大きな熱勾配が発生し、急速な冷却とこのプロセスの繰り返しにより、局所的な圧縮と張力が誘発され、AM 部品に大きな残留応力が生じます。造形プロセス中に存在する熱勾配は、多くのプロセスパラメータ (部品サイズ、造形時間、造形プレート/粉末ベッド温度、雰囲気、粉末の熱特性、溶融プールのサイズなど) の影響を受けます。 AM 部品の機械的特性と構造的完全性に影響を及ぼす可能性があるほか、機械加工中に発生する残留応力によって局所的な変形が発生し、正味形状の損失、サポート構造からの分離、または AM 部品の故障につながる可能性があります。

高エネルギーレーザービームを使用して金属粉末粒子を融合すると高品質の部品を製造できますが、製造プロセスでは残留応力が大きな問題となります。これは、最終融点付近での温度変化が大きく（急速な加熱と冷却）、このプロセスを繰り返すことで局所的な膨張と収縮が発生し、残留応力につながる要因となるためです。

残留応力は、機械的特性と構造的完全性に影響を及ぼす可能性があるだけでなく、機械加工中に変形を引き起こし、ネットシェイプの損失、サポート構造からの分離、および積層造形 (AM) 部品およびアセンブリの潜在的な故障につながる可能性があります。

エンジニアの Amanda Wu 氏が率いる LLNL 研究チームは、従来の応力緩和アプローチ (破壊分析) と最新技術であるデジタル画像相関を組み合わせた、正確な残留応力測定方法を開発しました。このプロセスにより、AM 部品の表面レベルの残留応力を迅速かつ正確に測定できます。

この研究のすべての AM サンプルは、316L ステンレス鋼粉末 (Concept Laser、CL-20) と 30 μm の粉末層を使用して処理されました。 L 字型の長方形および四辺形柱のサンプル (図 1) は、Concept Laser M2 (50 μm、D4Sigma ガウスビーム) を使用して構築されました。

▲図 1. サンプルの概略図と寸法、および製造された水平および垂直プリズムサンプル。レーザーベースの AM では、不均一な形態が生成され、場合によっては異方性の粒子構造が生成され、通常はある程度の多孔性があります。異なるスキャン戦略を使用して 400 W で処理された 316L ステンレス鋼試験片の微細構造を図 2 に示します。ここで、黒い点は機械加工中に形成された穴を表しています。溶融プールラインの非エピタキシャル成長は、図2(c)および(f)に明らかです。

図2. 400 Wおよび1800 mm/sで処理された結晶粒構造と多孔性を示す、(a)～(c) 5×5 mmの島状試験片と(d)～(f)連続走査試験片の断面画像（SEM）。
「L」字型サンプルのDICおよび中性子回折測定

DIC の結果を検証するために、研究チームはロスアラモス国立研究所 (LANL) と協力し、中性子回折 (ND) と呼ばれる方法を使用して残留応力テストを実施しました。 LANL の研究者ドナルド・ブラウンが実施したこの技術は、入射する中性子ビームの回折を検出することで、物質内部の深部にある残留応力を測定するものである。中性子の回折ビームは、応力によって引き起こされる原子格子間隔の変化を検出することができます。

粉末床溶融AM中に確立された面内残留応力分布をよりよく理解するために、L字型試験片（400 W、1800 mm / s、5×5 mmの島状パターン、部品エッジに対して45度）の中性子回折測定値が、位置の関数として図3に示されています。部品の上面付近（図3(a)～(c)）には、大きな軸方向残留応力が存在します。最大部品形状に沿った平面内の残留応力は、x 方向で最大 σ xx 、y 方向で最大 σ yy になります。面内残留応力が高引張値（図 3(b)）から低引張値およびほぼゼロ引張値（図 3(e)）へと変化することは、これらの断面を水平にスライスしたときに観察される「剥離」（上面から見ると下向きの曲がり）につながります。

▲図3. サンプル上部から4mm（(a)～(c)）および15mm（(d)～(f)）の位置で中性子回折により測定した残留応力成分。
ND は精度が高いにもかかわらず、残留応力の測定にはほとんど使用されません。これは、この分析に必要な高エネルギー中性子源を保有している米国内の連邦研究機関は 3 か所 (そのうちの 1 か所は LANL) しかないためです。 LLNL チームの DIC 結果は ND 実験によって検証され、DIC が粉末床融合 AM 部品の残留応力を測定する信頼性の高い方法であることが実証されました。

彼らの研究結果は、レーザー出力と速度の関数として、積層造形部品の内部残留応力の分布を示す初の定量的データを提供します。研究チームは、連続レーザースキャンを使用するのではなく、レーザースキャンベクトルの長さを短くすることで、加工中の温度変化を制御して残留応力を軽減できることを実証しました。さらに、結果は、AM 部品の最大寸法に対してレーザースキャンベクトルを回転させることで、残留応力の低減にも役立つことを示しています。チームの結果は、同じ結論に達した他の研究者による定性的なデータを裏付けるものである。

DIC を使用することで、チームは信頼性の高い定量データを生成することができ、AM 研究者は製造中の残留応力を低減するためにプロセスパラメータを最適に調整できるようになりました。レーザー設定 (出力と速度) とスキャンパラメータ (パターン、方向角度、オーバーラップ) を調整して、より信頼性の高い部品を製造できます。さらに、DIC により、ローレンスリバモアチームはレーザー出力と速度の結合効果を評価し、地下加熱が残留応力の発生に及ぼす潜在的な有益な効果を観察することができました。

LLNL の調査結果は、最終的には粉末床融合 AM プロセスを使用して製造された金属部品の特性評価に役立つことになります。チームの研究は、3D プリントされた部品とアセンブリの品質とパフォーマンスを向上させるために LLNL が設計した追加の認証プロセスを確立するのに役立ちます。

▲アマンダ・ウーはデジタル画像相関を利用して積層造形部品を画像化する

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